值
对于任何功率放大器(功率放大器)设计,输出匹配电路的性能都是个关键。但是,在设计过程中,有一个
问题常常为人们所忽视,那就是输出匹配电路的功率损耗。这些功率损耗出现在匹配网络的电容器、电感器,以
及其他耗能元件中。功率损耗会降低功率放大器的工作效率及功率输出能力。
因为输出匹配电路并不是一个 50Ω 的元件,所以耗散损失与传感器增益有很大的区别。输出匹配的具体电路
不同,损耗也不一样。对于设计者而言,即使他没有选择不同技术的余地,在带宽和耗散损失之间,在设计方面
仍然可以做很多折衷。
匹配网络是用来实现阻抗变化的,就像是功率从一个系统或子系统传送另一个系统或者子系统,RF 设计者们
在这上面下了很大的功夫。对于功率放大器,阻抗控制着传送到输出端的功率大小,它的增益,还有它产生的噪
声。因此,功率放大器匹配网络的设计是性能达到最优的关键。
损耗有不同的定义,但是这里我们关心的是在匹配网络中,RF 功率以热量的形式耗散掉的损耗。这些损耗掉
的功率是没有任何用途。依据匹配电路功能的不同,损耗的可接受范围也不同。对功率放大器来讲,输出匹配损
耗一直是人们关注的问题,因为这牵涉到很大的功率。效率低不仅会缩短通话时间,而且还会在散热和可靠性方
面带来很大的问题。
例如,一个 GSM 功率放大器工作在 3.5V 电压时,效率是 55%,能够输出 34dBm 的功率。在输出功率为最大
时,功率放大器的电流为 1.3A。匹配的损耗在 0.5dB 到 1dB 的数量级,这与输出匹配的具体电路有关。在没有耗
散损失时,功率放大器的效率为 62%到 69%。尽管损耗是无法完全避免的,但是这个例子告诉我们,在功率放大
器匹配网络中,损耗是首要问题。
耗散损失
现在我们来看一个网络,研究一个匹配网络(图 1a)中的耗散损失。电源通过无源匹配网络向无源负载传输
功率。在电源和负载阻抗之间没有任何其他的限制。把匹配网络和负载合在一起考虑,电源输出一个固定量的功
率 Pdel 到这个网络(图 1b)。输出功率的一部分以热量的形式耗散在匹配网络中。而其余的则传输到负载。 Pdel
是传输到匹配网络和负载(图 1c)上的总功率,PL 是传输到负载的那部分功率。
了解了这两个量,我们就可以知道,实际上到底有多大的一部分功率是作为有用功率从电源传输到了负载,
其比例等于 PL/Pdel。
这是对功率放大器输出匹配的耗散损失的正确测量,因为它只考虑了实际传输功率以及耗散功率。反射功率
没有计算进去。
由此可知,这个比例就等于匹配网络工作时的功率增益 GP。而工作时的功率增益完整表达式为:
这里,是负载反射系数,是匹配网络的 s
参数 ,
损失就是增益的倒数。因此,耗散损失可以定义为:
Ldiss = 1/GP。
对于功率放大器而言,我们为它设计的负载一般是 50Ω。通常,我们用来测量 s 参数的系统阻抗也是 50Ω。如
果系统阻抗和负载都是 50Ω,那么就为 0,于是,上面的表达式就可以简化为:
在计算一个匹配网络的耗散损失时,只需要知道它的传输值和反射散射参数的大小,这些可以很容易地从 s 参
数的计算过程中得到,因为网络分析仪通常都会采用线性的方式来显示 s 参数的值。在评估输入和级间耗散损失时,
负载的阻抗不是 50Ω,但是上述的规律依然适用。
因为反射和耗散损失很容易混淆,射频工程师有时就会采用错误的方法来计算耗散损失。而最糟糕的方法就
是采用未经处理的 s21 来进行计算。一个典型的匹配网络在 1GHz(图 2)时,对功率放大器而言,是数值为 4+j0Ω
的负载阻抗。匹配网络采用的是无损耗元件来进行模拟的,所以在匹配网络中不存在功率的耗散问题。然而, s21
却是-6dB,因为在 50Ω 的源阻抗和 4Ω 的负载之间存在着巨大的不匹配问题。作为一个无损耗网络,除了一些数字
噪音外,模拟的耗散损失为 0dB。
在电路的模拟当中,我们可能可以采用 s21 来求出正确的耗散损失。这一过程包括采用复杂模拟负载线的共轭
评论0